Idrogel a conduzione elettrica per l’assistenza sanitaria: concetto, metodi di fabbricazione e applicazioni

Danimarca: stampa 3D di idrogel conduttivi per applicazioni mediche

Nel recente pubblicato ” Idrogel a conduzione elettrica per l’assistenza sanitaria: concetto, metodi di fabbricazione e applicazioni “, Shweta Agarwala del Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Aarhus in Danimarca , studia le tecniche di stampa 3D nel campo medico, offrendo una revisione degli idrogel conduttivi.

Quando la stampa 3D ha iniziato a infiltrarsi nel mainstream, settori come quello automobilistico , aerospaziale e delle costruzioni hanno avuto un impatto positivo – e ora, le applicazioni mediche sono andate oltre i modelli e i dispositivi 3D mentre gli scienziati continuano a fare passi da gigante nella bioprinting. Le impalcature sono una struttura comune utilizzata nell’ingegneria dei tessuti con una varietà di idrogel diversi; tuttavia, oggi possono anche essere utilizzati per una vasta gamma di applicazioni, da dispositivi indossabili intelligenti a biosensori, impianti e viali alla gestione delle ferite.

Gli idrogel sono attraenti per l’uso nella ricerca e in altre applicazioni grazie a:

Matrice extracellulare ideale (ECM)
Supporto cellulare
biocompatibilità
Catene di polimeri idrofili naturali e sintetici che offrono un elevato assorbimento d’acqua
“Sebbene gli idrogel abbiano trovato un’applicazione di nicchia nell’ingegneria dei tessuti, sono intrinsecamente isolanti per natura. Ricerche recenti hanno dimostrato che gli idrogel non solo possiedono le caratteristiche necessarie per supportare le specie biologiche ma possono anche interfacciarsi con i circuiti elettrici se modificati ”, afferma Agarwala. “Pertanto, la ricerca sulla conduzione di idrogel ha guadagnato un interesse diffuso per applicazioni come elettrodi per la registrazione della salute”.

Agarwala nota che in generale la conduttività associata agli idrogel è la conducibilità ionica.

“Il contributo dei materiali additivi alla conduttività complessiva in questi casi è limitato. Tuttavia, i recenti sforzi di ricerca in questa direzione hanno mostrato risultati promettenti nell’indurre conducibilità elettrica dai materiali additivi ”, afferma Agarwala.

Mentre il metodo più spesso utilizzato per materiali conduttori compatibili con acqua è utilizzare l’energia ad ultrasuoni o il riscaldamento, sono disponibili altri cinque approcci:

I monomeri di idrogel con reticolanti e nanoparticelle vengono gelati insieme.
Le nanoparticelle vengono fisicamente incorporate nella matrice dell’idrogel dopo la gelificazione.
I precursori di nanoparticelle vengono caricati nel gel.
La reticolazione mediante nanoparticelle forma idrogel.
Gli idrogel si formano usando nanoparticelle, polimeri e altre molecole.

Uno dei maggiori vantaggi della stampa 3D è che gli utenti sono in grado di creare geometrie molto più complesse, oltre a godere di un’enorme latitudine sia nella progettazione che nella personalizzazione, oltre a essere in grado di rendere i progetti più veloci e apportare modifiche su richiesta. Tutti questi vantaggi si applicano al motivo per cui c’è stato un tale aumento nella stampa 3D che conduce idrogel.

Le tecniche di solito si basano sul diradamento a taglio, facendole scorrere quando viene applicata la pressione, usando una testa piezoelettrica.

“Un materiale piezoelettrico si deforma applicando tensione o corrente. Pertanto, l’apertura dell’orifizio può essere controllata variando la tensione applicata alla testina di stampa. La stampa a getto d’inchiostro crea piccole goccioline (volume inferiore al micron), che si depositano sulla superficie “, afferma Agarwala. “Il piccolo volume di deposizione del materiale, rispetto alla grande espulsione del materiale attraverso l’estrusione, aiuta a stampare costrutti e ponteggi ad alta risoluzione.

“Lo sviluppo di inchiostro è considerato uno degli aspetti più importanti della stampa 3D. Gli inchiostri Hydrogel devono avere le giuste proprietà reologiche per soddisfare le esigenze fisiche e meccaniche del processo di orientamento. “

Tali idrogel hanno il potenziale per essere utilizzati nella tecnologia dei sensori, nei sistemi di rilascio dei farmaci e nell’ingegneria dei tessuti. Sono stati anche usati una varietà di compositi, dal grafene-chitosano alle nanoparticelle di silice, allumina di silice, ma l’autore sottolinea che la commercializzazione di tale produzione è “ancora lontana”, a causa delle numerose sfide.
“Questi materiali non sono in grado di seguire i modelli di design originali, poiché la struttura stampata non mantiene la forma originale. Anche il conseguimento di gradienti funzionali e proprietà gerarchiche è stato impegnativo e sono stati sviluppati nuovi approcci progettuali per affrontarli “, conclude Agarwala.

“L’area della conduzione di idrogel è ancora piena di sfide tecnologiche irrisolte e offre quindi ai ricercatori opportunità di sviluppo, poiché questo campo sta crescendo rapidamente oltre la sua fase iniziale. Il miglioramento della conduttività degli idrogel può essere una direzione di ricerca, mentre l’integrazione di nuove funzionalità come la biodegradabilità e la resistenza meccanica può aprire nuove strade per le applicazioni. L’innovazione è anche richiesta nei metodi di fabbricazione per consentire la composizione variata di idrogel da stabilire nel modo desiderato. “